Ett annat område som har varit i fokus för mycket forskning är förhållandet mellan sömn och inlärning eller minnesbildning. Forskare vet med säkerhet att sömn är avgörande för inlärning – men vilket sömnstadium är viktigast?
Finns inlärning i det lätta REM-sömnstadiet eller i den djupa, icke-REM-fasen av sömnen? Hur samordnar neuronerna i olika hjärnområden mellan olika sömnstadier för att underlätta inlärning och minneskonsolidering?
Två studier som Medical News Today rapporterade om bidrar till att kasta ljus över dessa frågor.
Sömnen hjälper hjärnan att lära sig och förbli flexibel
I den första studien manipulerade experimentatörerna studiedeltagarnas djupa, icke-REM-sömnfas efter att ha bett dem lära sig en ny uppsättning rörelser. Forskarna övervakade deltagarnas hjärnaktivitet – särskilt deras motoriska cortex – under hela studien.
Laget – som leddes av Schweizbaserade forskare – fann att en orolig djupsömn resulterade i en synligt minskad inlärningseffektivitet. Forskarna förklarade att deras resultat berodde på hjärnans synapser och deras roll i inlärningen.
Synapser är mikroskopiska förbindelser mellan neuroner som tillsammans med kemikalier i hjärnan, eller neurotransmittorer, underlättar överföringen av elektriska impulser från en neuron till en annan. Under dagen slår synapserna på som svar på de stimuli som hjärnan får från omgivningen.
Men under sömnen återgår aktiviteten hos dessa synapser till det normala. Utan denna återhämtningsperiod förblir de exciterade med sin högsta aktivitet för länge.
Detta stör hjärnans neuroplasticitet – det vill säga dess förmåga att koppla om sig själv och skapa nya förbindelser mellan neuroner. Neuroplasticiteten gör det möjligt för hjärnan att ”plocka upp” nya färdigheter, ändra och anpassa sig till omgivningens stimuli och i slutändan lära sig nya saker.
Nicole Wenderoth, professor vid institutionen för hälsovetenskap och teknik vid ETH Zürich och medförfattare, förklarar vad som hände i deras nya studie.
”I den starkt exciterade regionen i hjärnan var inlärningseffektiviteten mättad och kunde inte längre ändras, vilket hämmade inlärningen av motoriska färdigheter”.
Såvitt författarna vet var detta den första studien som visade ett orsakssamband mellan den djupa sömnfasen och inlärningseffektiviteten. ”Vi har utvecklat en metod som gör att vi kan minska sömndjupet i en viss del av hjärnan och därmed bevisa det kausala sambandet mellan djup sömn och inlärningseffektivitet”, säger professor Reto Huber, medförfattare till studien.
Sömnen hjälper oss också att lära av
Den andra studien som MNT rapporterade om tittade på olika sömnstadier. Denna forskning visade dock att sömn inte bara gör det möjligt för hjärnan att lära sig nya saker utan också att lära sig ur.
Den ursprungliga studien från 2017 involverade en auditiv inlärningsuppgift. Forskarna spelade upp ljudsekvenser medan deltagarna sov och var vakna.
De övervakade volontärernas elektriska hjärnaktivitet med hjälp av ett elektroencefalogram (EEG).
EEG:n fångade också upp sömnspindlar som uppstod när den sovande hjärnan lärde sig nya ljud. Sömnspindlar är spikar i oscillerande hjärnaktivitet som tidigare forskning har kopplat till inlärning och minneskonsolidering.
Efter varje sömnsession bad experimenterarna deltagarna att åter lyssna på ljudsekvenserna och känna igen dem. De bedömde deras inlärningsprestanda genom tester.
Med hjälp av EEG-avläsningarna undersökte forskarna tre sömnfaser: REM-sömn, lätt icke-REM-sömn och djup icke-REM-sömn.
När deltagarna utsattes för ljuden under REM-sömn eller under lätt icke-REM-sömn var de bättre på att känna igen dem när de var vakna. Men när de utsattes för de nya ljuden under djup icke-REM-sömn hade de svårare att känna igen ljudsekvensen när de var vakna.
Och medan ”EEG-markörer för inlärning lätt observerades i lätt sömn, var de markant frånvarande i djup sömn”, rapporterar forskarna.
Fortfarande, och det är viktigt, var det inte bara svårt för deltagarna att känna igen ljuden som forskarna hade spelat upp för dem under deras djupa icke-REM-sömn, utan de hade också svårare att (åter)lära sig dessa ljud, jämfört med helt nya ljud.
Fyndet tyder på att djup icke-REM-sömn inte så mycket är till för att lära sig nya saker som för att undertrycka information.
” största överraskningen kom från hjärnans förmåga att lära sig om. Det verkar alltså som om vi under sömnen antingen kan bilda nya minnen, lära oss, eller göra det omvända: undertrycka minnen och avlära.”
– Thomas Andrillon, studiens första författare
De bidrar också till bevisen för att djup sömn bidrar till att upprätthålla neuroplasticiteten. Specifikt kan ljus icke-REM-sömn (steg 2) hjälpa till att excitera synapser, medan djup icke-REM-sömn kan hjälpa dem att slappna av, eller ”nedtrappning.”
”En sådan kontrast mellan ljus och djup sömn stämmer överens med en kvalitativ distinktion mellan dessa två sömnstadier i förhållande till neural plasticitet”, skriver författarna. ”Enligt detta synsätt gynnar ljus sömn synaptisk potentiering, medan djup sömn gynnar synaptisk nedskalning.”
”Vi föreslår inte någon funktionell roll för den undertryckande effekten av information som presenteras under sömnen”, tillägger de. ”Den verkar snarare vara en oundviklig biprodukt av den synaptiska nedskalning som behövs för homeostatiska ändamål.”
Med andra ord kan djup sömn hjälpa oss att avlära eller glömma eftersom glömska är en naturlig biprodukt av att bevara neuroplasticiteten; glömska är en biprodukt av vår förmåga att lära.
Enhetliga sömnteorier
Andrillon och kollegor förklarade också att deras resultat är betydelsefulla eftersom de bidrar till att ena två tidigare motsägelsefulla tankeskolor. Den ena ser sömnens primära funktion som inlärning och konsolidering av ny information. Den andra ser den som att kassera onödig information för att inte överväldiga hjärnan.
I takt med att forskarna samlar mer och mer neurovetenskapliga bevis om hur sömnen fungerar blir det uppenbart att överlag är sådana uppdelningar och dikotomier kanske inte det mest användbara sättet att betrakta sömnen eller den roll sömnen spelar för inlärning.
En studie som offentliggjordes så sent som förra månaden visar till exempel att REM-sömn och icke-REM-sömn arbetar tillsammans för att öka inlärningen.
Nämligen att icke-REM-sömn ökar prestandan av nyförvärvade färdigheter genom att återställa flexibilitet och neuroplasticitet, medan REM-sömn stabiliserar dessa förbättringar och förhindrar att ny inlärning raderar dem.
Den nya forskningen utgick från samma hypotes som studierna ovan tycks belysa – att sömnen måste förstärka synapserna och de neuronala kopplingar som skapats under dagen (för att befästa ny kunskap och förhindra att den skrivs över av ny information). Men den måste också ”nedtrappas”, eller slappna av eller försvagas, synapserna för att bevara deras flexibilitet och hjärnans neuroplasticitet.
Denna studie – som leddes av Masako Tamaki, från institutionen för kognitiva, lingvistiska och psykologiska vetenskaper vid Brown University i Providence, RI – omfattade en visuell inlärningsuppgift. Forskarna tilldelade en grupp deltagare två olika uppgifter, en före sömn och en efter sömn. Den andra gruppen fick inga inlärningsuppgifter.
Forskarna använde MR-skannrar och elektroder som de applicerade på deltagarnas huvud och ögonlock. De använde också magnetresonansspektroskopi för att mäta de två hjärnkemikalier som är involverade i neuronal plasticitet (eller synapsernas flexibilitet) och stabilisering.
Tamaki och teamet fann att neuroplasticiteten ökade under icke-REM-sömn. Detta hade samband med bättre inlärning och uppgiftsutförande efter sömnen.
Under REM-sömnen minskade deltagarnas neurala plasticitet, vilket korrelerade med stabilisering av vad de hade lärt sig. Forskarna antar att REM-sömn hjälper till att förhindra att inlärning före sömnen skrivs över av efterföljande inlärning.
I motsats till icke-REM-sömn såg forskarna den kraftiga nedgången i plasticitet under REM-sömn endast hos de frivilliga som hade en uppgift att lära sig.
Med forskarnas ord: ”Den ökade under NREM-sömn oavsett om inlärning före sömn inträffade, men den var förknippad med prestationsvinster efter sömn i förhållande till prestationen före sömn. Däremot minskade den under REM-sömn men endast efter träning före sömn, och minskningen var förknippad med stabilisering av inlärning före sömn”.
”Dessa resultat tyder på att NREM-sömn främjar plasticitet, vilket leder till prestationsvinster oberoende av inlärning, medan REM-sömn minskar plasticiteten för att stabilisera inlärningen på ett inlärningsspecifikt sätt.”
– Masako Tamaki et al.